厚煤层桥拱式矸石配超高水材料置换“三下”压煤全采技术研究

姬生华 李长厚 李永德

（微山县付村镇高煤公司 生产科，山东 微山 277605）

高煤公司坐落在微山湖畔，1997年10月建成投产，现核定生产能力320万吨/年。几年来，高煤公司牢固树立珍惜资源、节约资源的理念，大力实施绿色开采，自主创新形成了厚煤层桥拱式矸石配超高水材料置换“三下”压煤全采技术（以下简称“桥拱式”全采技术），实现了“三下”压煤厚煤层的全采，取得了良好的经济和社会效益。公司先后荣获“煤炭工业节能减排先进单位”等几十项省部级荣誉称号。

1 “桥拱式”全采技术始于认知上的突破

高煤公司井田范围内村庄及地面建筑物压煤资源储量多达4200万吨。随着工业和城镇化的发展，建筑物下压煤仍有增大趋势，严重制约着矿区生产和服务年限，而且压煤区域处于微山湖流域，村庄密集，搬迁困难。实施充填开采，解放“三下”压煤，己成为矿井可持续发展的必然选择。基于上述情况，我们从建设资源节约型、环境友好型企业的高度出发，瞄准提高资源回收、增加经济效益、实现科学发展的目标，确立了解放“三下”压煤、实施绿色开采、实现矸石不上井的思路。

为寻求一条解放“三下”压煤的最佳方案，本着“最大限度地解放煤炭资源、减小地面建筑物破坏程度，实现效益最大化”的原则，从2006年开始，我们组织人员对充填开采进行了广泛调研。先后去了岱庄、王集、太平、田庄、邱集、城郊煤矿等省内外多家兄弟单位。先后考察了离层注浆、膏体充填、综采工作面架后矸石充填、高水和超高水充填等工艺，这几种充填方式基本都是在薄及中厚煤层中应用，效果好、各有特点，特别是超高水充填材料，该材料具有含水量高（95-97%）、凝固速度快、充实率高（充填体倾斜、曲率、水平变形量小）、早期强度高的特点，固结体具有良好的承载性能和抗压缩性，顶板及地面下沉量可控制在较小范围，对于高煤公司充填材料的选择可供借鉴。由于高煤公司所要置换的煤层厚度为4～6m的厚煤层，我们了解学习的矿井均为薄及中厚煤层，通过调研，我们虽然没有寻求到厚煤层开采较为理想的充填工艺，但也从中得到了许多有益启示，结合拱桥建筑原理，在矿井原有无煤柱开采及矸石不上井条带充填的基础上，创新提出了厚煤层桥拱式矸石配超高水材料置换“三下”压煤全采技术，通过开采性实验情况来看，完全适合于目前公司充填开采。该技术主要是利用综掘机或连续采煤机快速掘进的特点，在厚煤层“三下”压煤中，按奇数顺序掘出巷道，以掘进方式采煤，然后用矸石充填同时注入超高水材料，两条相邻的奇数巷道充填后，就形成了类似于大桥桥墩的充填墙，之后再把两个墙体之间的煤体采出，形成的空间相当于大桥“桥拱”，用于满足井下矸石的充填。

图1 注浆流程示意图

2 “桥拱式”全采技术精于实践上的创新

“桥拱式”充填全采系统由注浆充填、矸石充填和煤炭运输三大流程组成（如图2）。围绕“三大流程”，我们在充填材料选择、系统配备、工艺流程、控制三带四个方面，大胆尝试、勇于创新，取得了满意的成效。

图2 充填全采技术工艺示意图

1）优选充填材料。超高水材料是由中国矿业大学发明的一种新型充填材料，它主要由A、B两种物料组成。A料主要以铝土矿等矿物质烧制并与超缓凝分散剂（AA料）混合，B料由石膏等矿物质与复合速凝剂（BB料）组成。A、B料分别加水制成A浆液和B浆液，将两种浆液混合后在一定时间内胶结、凝聚，达到设计强度，实现采空区充填。混合后的浆体中水的体积可达95%～97%，初凝时间通过改变材料和水的配比在8-90min灵活调整。超高水材料具有以下特性：一是，固结体早强特征明显，且固结体最终强度可根据水体积比的不同而有所变化；二是，固结体受压后，体积应变较小，具有不可压缩性；三是，初凝时间具有可控性；虽然该材料属于早强、快硬型胶结材料，但是材料的初凝时间可根据工艺要求进行具体控制；四是，具有在封闭状态下或在完全潮湿状态下的热稳定性、化学稳定性、受压下稳定性，并具有微膨胀特性，可保持长期稳定。充填粗骨料选用矿井产生的井下矸石和地面洗煤厂产生的废料洗矸，进行配合充填，不仅起到了降低材料成本，而且还能够对形成的超高水墙体起到加固作用。

图3 矸石充填注浆流程剖面图

2）优配系统装备。在超高水液体制备方面，把超高水制备系统设置于井下充填现场，并创新实施了双巷交替式生产，切实解决浆体运输不连续的问题，提高泵送功率，一次性输送距离达2000m以上，通过接力可实现远距离输送，充填能力由最初的每小时110m3提升到每小时160m3。在矸石配合充填方面，本着高效节约的原则，我们与厂家联合创新研制了双向给煤机、胶带机和快速抛矸机，实现采煤与充填矸石在同一皮带双向运输，降低充填系统巷道工程量，节约设备投资和人力占用，使采煤、充填工艺流程实现机械化、皮带化、连续化。同时，在地面洗煤排矸场建设了Φ325mm大孔径下料口，使洗选出的洗矸直接落入井下充填站附近的料场，减少洗矸运输环节，快捷提供充填粗骨料。

3）优化工艺流程。通过科学确立材料配比、物料搅拌、浆料泵送、连续充填、立体考核“五项参数”，进行技术分析，规范调整各项参数，持续完善“桥拱式”充填全采技术；在掘进回采巷道中，采用综掘机分层施工，成功解决了巷道施工高度高、跨度大的难题，确保了回采巷道的安全施工；对掘进流程与注浆流程优化设计，使两套系统独立运行，采煤和充填同时施工、互不干扰，操作更加灵活；将充填巷道沿下山布置，尽量增加巷道长度，提高浆体充填密实率和开采效率；探索创新管路浆液快速混合分离法、管路堵塞快速疏通法、材料精准配比法，破解了材料配比不准、配比不均及配合后容易堵塞等技术难题，实现了连续输送；实行定岗定员、一岗双责、交替补位、平行作业，推进了高产高效。

图4 矸石注浆充填工艺流程图

4）加强“三带”控制。加强冒落带、裂隙带、弯曲带的观测和控制是保证地面建筑物不受破坏的关键。在加强“三带”控制上，首先我们建立健全了地面岩移观测网和井下矿压观测系统，充分利用沉降监测手段，跟踪监测工作面顶板下沉和地表变形情况。其次，合理设计“桥墩”、“桥拱”的空间尺寸，两者保持1：1的宽度，使桥墩具有足够的支撑强度。同时，合理配置采煤与充填顺序，按照采出一条巷道、充填一条巷道的方式，边回采、边充填，消除采空区大面积悬顶的现象，控制顶板下沉，减小地表移动与变形，达到理想的减沉效果。经过近五年的岩移观测，充填区上方的洗煤厂栈桥、储料仓等重要建筑物得到了有效保护。

3 “桥拱式”全采技术成于效能上的释放

通过推广应用“桥拱式”全采技术，较好地解决了“三下压煤”问题，收到了良好的经济和社会效益，主要体现为“一低、两高、三少”：

一低。就是充填成本低，此工艺与我公司正常综采工作面开采成本相比，吨煤成本只需增加130元，相对于其它充填开采工艺成本较低。

两高。一是资源回采率高，通过“桥拱式”开采，可以实现开采范围内煤体的全部采出；二是效率高，随着工人熟练程度的提高和工艺的持续改进，产能逐年提升，一台综掘机从最初的年产8万吨，提高到目前年产18万吨。

三少。一是，使用充填物少，“桥拱式”充填开采工艺只是利用桥墩支撑的方式完成顶板控制，实现地表不下沉，只需一半的充填体积就能满足煤体的全部采出；二是，投资少，配备一套充填系统仅相当于装备一个综采工作面投资的十分之一；三是，用人少，掘进工作面使用双向给煤机、双向胶带机，充填巷道应用快速抛矸机，极大节约了人工成本，一个年产15～20万吨的采煤和充填工作面仅需60人，便能完成任务。

几年的探索与实践，我们找到了一条厚煤层“三下”压煤全采的有效方法。同时，也清醒的认识到，“桥拱式”全采技术还存在着一些需要改进的地方，在高产高效、机械化程度等方面还有较大的提升空间。我们将借鉴兄弟单位充填开采的成功经验，进一步加大探索研究和成果转化力度，促进企业安全高效和可持续发展。